Vliv teploty na mechanické vlastnosti vybraných elastomerů
Jan Barcuch
Bakalářská práce
2015
Cílem této práce bylo určit vlastnosti materiálů, používaných pro výrobu pneumatik, za různých teplotních podmínek.
Byla provedena tahová zkouška při čtyřech různých teplotách. Z výsledných hodnot se sestavil graf v závislosti na napětí a poměrného prodloužení.
Z výsledných hodnot a grafů jsou pak patrné vlastnosti daných materiálu při konkrétních teplotách.
ABSTRACT
The aim of this study was to determine the characteristics of the materials used for the pro- duction of tires under different temperature conditions.
Tensile test was conducted at four different temperatures. A chart of stress and relative elongation is compiled from the resulting values.
Characteristics of the material at specific temperatures are evident from the resulting valu- es and graphs
I TEORETICKÁ ČÁST ... 11
1 VLASTNOSTI HYPERELASTICKÉHO MATERIÁLU ... 12
1.1 ZÁKLADNÍ TYPY HYPERELASTICKÝCH MATERIÁLŮ ... 13
1.1.1 Přírodní kaučuk (NR) ... 13
1.1.2 Chloroprenový kaučuk (CR) ... 13
1.1.3 Polyisopren (IR) ... 13
1.1.4 Butadienový kaučuk (BR) ... 13
1.1.5 Butadienstyrenový kaučuk (SBR) ... 14
1.1.6 Butadienakrylonitrilový kaučuk (NBR) ... 14
1.1.7 Butylkaučuk (IIR) ... 14
1.1.8 Chromovaný a bromovaný kaučuk (CIIR a BIIR) ... 14
2 MECHANICKÉ CHOVÁNÍ ELASTOMERŮ ... 15
2.1 OBECNÁ TEORIE ELASTICKÝCH DEFORMACÍ ... 15
2.2 OBECNÝ VZTAH MEZI NAPĚTÍ A DEFORMACÍ ... 16
2.3 JEDNOOSÁ NAPJATOST ... 16
2.4 DVOUOSÁ NAPJATOST ... 18
2.5 ČISTÝ SMYK ... 19
2.6 PŘEHLED HYPERELASTICKÝCH MODELŮ ... 20
2.6.1 Polynomická forma ... 20
2.6.2 Neo-Hookean ... 21
2.6.3 Yeoh ... 21
2.6.4 Mooney-Rivlin ... 22
2.6.5 Arruda-Boyce ... 23
2.6.6 Gent ... 23
2.6.7 Ogden ... 24
2.7 DYNAMICKÉ NAMÁHÁNÍ ... 24
2.8 VLIV TEPLOTY NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI ... 26
II PRAKTICKÁ ČÁST ... 28
3 CÍL PRÁCE ... 29
4 POSTUP PRÁCE ... 30
4.1 MATERIÁLY ... 30
4.1.1 Seznam druhů směsí a jejich složení ... 30
4.2 TESTOVÁNÍ MATERIÁLU ... 31
4.2.1 Podstata zkoušky ... 31
4.2.2 Zkušební tělesa ... 32
4.2.3 Zkušební zařízení ... 32
4.2.3.1 Vysekávací a vyřezávací nože ... 32
4.2.3.2 Tloušťkoměr ... 33
4.2.3.3 Trhací stroj ... 33
4.2.3.4 Počet zkušebních těles ... 33
4.2.4 Postup zkoušky ... 34
4.2.5 Zkušební teplota ... 34
5.2 MATERIÁL D ... 37
5.3 MATERIÁL E ... 39
5.4 MATERIÁL F ... 41
5.5 MATERIÁL G ... 43
5.6 MATERIÁL H ... 45
5.7 MATERIÁL I ... 47
5.8 MATERIÁL K ... 49
5.9 MATERIÁL L ... 51
5.10 MATERIÁL O ... 53
5.11 MATERIÁL S ... 55
5.12 SROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ PRO JEDNOTLIVÉ MATERIÁLY ... 57
6 DISKUZE VÝSLEDKŮ ... 65
ZÁVĚR ... 66
SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ... 67
SEZNAM POUŢITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ... 68
SEZNAM OBRÁZKŮ ... 69
SEZNAM TABULEK ... 71
ÚVOD
Po objevení vulkanizace Charlesem Goodyearem v roce 1839 pronikl kaučuk do všech oblastí lidské práce a nacházel stále více uplatnění. Největší vliv na rozvoj gumárenského průmyslu měl rychle se rozvíjející automobilismus, hlavně díky pneumatikám. Dnes je kaučuk nepostradatelným materiálem.
Kaučukové hmoty jsou schopny značně se deformovat i malou silou a po uvolnění vnější sily se rychle vracejí téměř do původního stavu. Hmoty mající kaučukové vlastnosti při normální teplotě se nazývají elastomery.
Elastomery, označované také jako hyperelastické materiály, tvoří speciální třídu polymerů, která zahrnuje přírodní a syntetické pryže. Dříve slovo pryž (rubber) znamenalo materiál získaný z kaučukovitých rostlin ve formě latexu, především z rostlin Hevea Braziliensis a Guayula. Dnes se slovo pryž používá pro všechny materiály s vlastnostmi stejnými, jako má přírodní kaučuk.
Kaučukové materiály mají široké použití v inženýrství. Především jako absorbátory ener- gie, tlumiče vibrací, těsnící prvky a hlavně ve výrobě pneumatik. Stále rostoucí využití pryží ve strojírenství vyžaduje přesnější analýzy charakteristik, zejména určení mechanic- kých vlastností pryžových materiálů.
I. TEORETICKÁ ČÁST
1 VLASTNOSTI HYPERELASTICKÉHO MATERIÁLU
Elastomerní materiály tvoří amorfní strukturu s dlouhými řetězci molekul, které jsou v nedeformovaném stavu stočené, nahodile orientované a značně pokřivené. Elastické pro- tažení zatíženého materiálu je způsobeno při tahovém zatížení, kde se řetězce částečně na- rovnají. Řetězce se vrátí do původního stavu, když tahová síla přestane působit. Při vulka- nizačním procesu vnikají příčné vazby mezi molekulami řetězce, toto chování je nazýváno hyperelastické. [1]
Hyperelastický (kaučukovitý) stav je definován jako vlastnost hmoty deformovat se po- měrně malými vnějšími silami v takovém rozsahu, jaký jiné materiály neumožnují. Po uvolnění síly se vrací zcela úplně a rychle do původního stavu. Plasty do této skupiny ne- náleží, protože vykazují hyperelastický stav jen při vysokých teplotách. Za kaučuky se označují elastomery, které jdou vulkanizovat (síťovat) účinkem vulkanizačních činidel.
Vyskytují se i termoplastické elastomery, které vulkanizaci nevyžadují. Spojení makromo- lekul vzniká fyzikálními vazbami.
Hlavní znaky hyperelasticity jsou [2]:
- Elastické deformace jsou velké, několikanásobně vyšší než u ideálně elastických lá- tek.
- Deformace je velmi nelineární v závislosti na napětí. Tvar této závislosti má větši- nou esovitý průběh.
- Vlivem i malých sil se materiál deformuje.
- Objemová tuhost elastomerů je vysoká. Dosahuje hodnot až tisíců MPa.
1.1 Základní typy hyperelastických materiálů
1.1.1 Přírodní kaučuk (NR)
Přírodní kaučuk se zpracovává z rostlin, které obsahují tzv. latex. Kaučuk z latexu se zís- kává mnoha způsoby. Nejčastěji se používá koagulace kyselinou mravenčí nebo octovou.
Koagulát se přivádí mezi dva válce, kde je převeden na fólie o tloušťce 2-3 mm, následně je sušen horkým vzduchem.[3]
1.1.2 Chloroprenový kaučuk (CR)
Zhotoví se polymerací chloroprenu. Odborný název je NEOPREN. Vyznačuje se nízkou plynopropustností, má malou hořlavost a je samozhášivý. Díky jeho vysoké odolnosti se používá jako technická pryž pro hadice, těsnění, dopravní pásy, pogumování textilu. Čistá pryž má pevnost v tahu 430 – 580 kPa a tažnost 800 - 900%. [4]
1.1.3 Polyisopren (IR)
Jeho příprava je syntetická pomocí polymerace isoprenu. Díky nižší odolnosti proti oděru a vyšší tažnosti se využívá na výrobu směsí pro pneumatiky. Hodnota pevnosti tahu je při- bližně 360 – 500 kPa. [4]
1.1.4 Butadienový kaučuk (BR)
Vyrábí se stereoregulární polymerací butadienu. Má vysokou odolnost proti oděru a dob- rou stabilitu při vysokých teplotách. Využívá se především na výrobu směsi pro běhouny pneumatik a podlahoviny. Pevnost v tahu je přibližně 360 kPa a tažnost 500%. [5]
1.1.5 Butadienstyrenový kaučuk (SBR)
Jde o nejdůležitější druh syntetických kaučuků. Vyrábí se pomocí radikálové nebo anion- tové polymerace. Vyznačuje se větší odolností proti oděru a dobrou zpracovatelností. Pou- žívá se na výrobu pneumatik jako technická pryž nebo pro impregnaci kordů a textilu. Čis- tá pryž má pevnost v tahu 30 – 43 kPa a tažnost 400 – 600%. [4]
1.1.6 Butadienakrylonitrilový kaučuk (NBR)
Výroba pomocí radikálové polymerace s 18 – 49% akrylonitrilu. Při vyšším obsahu akry- lonitrilu roste jeho tvrdost a klesá botnavost a elasticita. Má dobrou odolnost proti povětr- nosti. Využívá se na výrobu benzínových hadic, klínových řemenů, těsnění a dopravních pásů. Pevnost v tahu je 70 – 130 kPa a tažnost 300 – 700%. [4]
1.1.7 Butylkaučuk (IIR)
IRR kaučuky jsou kopolymery isobutylenu s 1 až 3% isoprenu, připravené kationovou po- lymerací při nízké teplotě. Jednotlivé druhy se navzájem liší obsahem isoprenu a viskozi- tou. Mají malou odrazovou pružnost a tedy vysoké mechanické tlumení a dobře elektroizo- lační vlastnosti. [3]
1.1.8 Chromovaný a bromovaný kaučuk (CIIR a BIIR)
Připravují se halogenací butylkaučuku (IIR). Mají vyšší lepivost než IIR a lze je použít do směsí s nenasycenými kaučuky jako je NR. Značná množství halogenovaných typů CIIR a BIIR jsou používána pro vnitřní gumu bezdušových pneumatik na bočnice a duše pneuma- tik. [3]
2 MECHANICKÉ CHOVÁNÍ ELASTOMERŮ
2.1 Obecná teorie elastických deformací
Rivinem bylo vyvinuto obecné řešení vztahu mezi napětím a deformací u pryžových mate- riálů.[7] Toto řešení plyne ze vztahu pro potenciál deformační energie (W), kde může být přímo funkcí hlavních protažení nebo funkcí deformačních invariantu:
( )
( ) (13)
Napětí ij je založen na deformačním potenciálu definovaném jako:
(14)
Kde Eij je Lagrangeův deformační tenzor. Předpokládá se, že při nezatíženém stavu v elastickém chování je materiál izotropní a téměř nestlačitelný v objemu. Postup při mě- ření napětí na vzorku elastomeru, nezávislý na výběru osy, je dán třemi deformačními in- varianty, definovanými jako:
(15)
Kde symboly λ1, λ2, λ3 udávají hlavní protažení.
Definice hlavního protažení: Procento protažené délky na protaženou délku hran malého objemového elementu v nezatíženém stavu:
(16)
Hodnota λi je dána (1+ εi), kde εi je poměrná deformace. Při nezatíženém stavu je hodnota Ii nulová, když λ1 = λ2 = λ3 = 1. Hodnota I3 je pro nestlačený materiál nulová, proto zůstá- vají pouze dvě nezávislé hodnoty napěťových konstant, I1, I2, z čehož plyne rovnice de- formačního potenciálu W = W (I1, I2). [7]
2.2 Obecný vztah mezi napětí a deformací
Vztah mezi napětím a deformací získáme z funkce napěťového energetického potenciálu [7], vyjádřením “virtuální” práce, uvažované jako:
( ) ( ) (17)
Stejně lze vyjádřit vztah pro λ2, λ3. Pro σ1 obdržíme:
* ( ) ( ) ( )+ (18) Stejným způsobem tak vyjádříme σ2 a σ3, kde σ1, σ2, σ3 jsou jednotlivé složky skutečného napětí. Hodnota P určuje nespecifikovaný tlak. P se stanovuje na základě známých hodnot σ a λ. [6, 7]
2.3 Jednoosá napjatost
Při jednoosé napjatosti zatěžujeme vzorek jen v jednom směru a konstantní rychlostí. Pro určení charakteristik zkušebního tělesa se odečítají zatěžovací síly a prodloužení vzorku.
Zkouška se ukončí v momentě přetržení vzorku.
Prodloužení je definováno poměrným protažením λ1 = λ, λ2= λ3 = λ-1/2 (Obr. 1.). Tato de- finice plyne z předpokladu nestlačitelnosti, kdy se objem nemění a proto λ1 . λ2 . λ3 = 1.
Ve stavu, kde jsou boční strany nezatíženy, platí σ2 = σ3 = 0 a rovnice (18.) pro σ2 a σ3 se stane rovnicí neznámého stlačení P:
* ( ) ( )+ (19)
Při dosažení rovnice do vztahu (18.) pro σ1 (=σ) výsledek je:
*( ) ( )+ ( ), (20) Kde ζ udává skutečné napětí. [7]
Obr. 1: Jednoosá napjatost
2.4 Dvouosá napjatost
Zkoušky dvouosé napjatosti se provádějí na trhacím stroji při rovnoměrném zatížení vzor- ku ve dvou směrech, současně se zaznamenává velikost zatěžovací síly a protažení vzorku.
Vzorek má tvar čtverce, případně kotouče. Upíná se po celém obvodu do trhacího stroje.
Další metoda spočívá v nafukování, kdy je působícím tlakem fragment plochy namáhán rovněž dvouosým tahem.
Ze vztahů pro jednoosou napjatost získáme vztah pro napjatost dvouosou. Poměrné prota- žení je dáno jako λ1 = λ2= λ; λ3 =1/ λ2 (Obr. 2.). Napětí ζ3 je nulové, protože na této stra- ně je vzorek nezatížen. Poté P v rovnici (18.) přechází na:
( ) (21)
Napětí σ2 a σ1 jsou dány jako:
( )( ) (22)
Z toho plyne, že vztah mezi napětím a deformací je vysoce nelineární. [7]
Obr. 2: Dvouosá napjatost
2.5 Čistý smyk
Zkouška pro čistý smyk spočívá v zatěžování vzorku obdélníkového tvaru v hlavním smě- ru způsobem, kdy nedojde k zmenšení šířky vedlejších stran. K tomu slouží dlouhé hori- zontální svorky.
Tento deformační stav je definován jako napětí aplikované ve směru 1, v takové formě, že je zabráněno změně šířky ve směru 2, tzn. λ2 = 1 (Obr. 3.). Odtud je označení smyk.
Při čistém smyku během deformace hlavní osy nerotují. Ve směru namáhání vzorku je výška h mnohem menší, než šířka w kolmá na směr hlavního namáhání a to zhruba o jednu desetinu w. Dlouhé horizontální vzorky neumožňují změnu délky vedlejších stran vzorku a napětí tak působí jen ve vertikálním směru, takže je dáno λ2 = 1.
Při deformaci je poměrné prodloužení definováno jako λ1 = λ, λ2 =1 a λ3 =1/λ, zatímco napětí σ3 =0. Napětí σ2 je vyvoláno svorkami, takže není nulové. Z rovnice (18.) vyplývá:
( ) (23)
Takže napětí σ1 (=σ) ve směru protahování je dáno jako:
( )( ) (24)
A vedlejší napětí σ2 je:
( )( ) (25)
Obr. 3: Čistý smyk
2.6 Přehled hyperelastických modelů
Různé hyperelastické modely se rozlišují definicí funkce hustoty deformační energie W.
Dále jsou uvedeny nejpoužívanější tvary funkce W, které dostaly svůj název po svých au- torech.
2.6.1 Polynomická forma
Polynomická funkce je založena na prvním a druhém invariantu deformace (II, III). Vyja- dřuje se ve formě:
∑
( )( ) (1)
Kde cij je materiálová konstanta a za N se dosazují hodnoty od jedné do nekonečna, ale zpravidla není hodnota N vyšší než 3. Tuto metodu můžeme použít pro deformace dosahu- jící až 300%. [2,6]
2.6.2 Neo-Hookean
Tento model patří k nejstarším a nejjednodušším modelům. Je brán jako podmnožina poly- nomické formy N = 1, co1 = 0, c10 = µ/2. Model není schopen přesně vystihnout závěreč- nou vyztužovací fázi napěťově deformační odezvy elastomerů. Při smykové deformaci vykazuje lineární chování.
( ) (2)
Kde µ je počáteční smykový modul:
(3)
kde n je počet polymerních řetězců v jednotkovém objemu, k je Boltzmanova konstanta,
T je absolutní teplota.
Tento model se používá pro deformaci do 40% v jednoosém namáhání. [2,7]
2.6.3 Yeoh
Tento model je podobný polynomické formě, ale používá druhého deformačního invarian- tu. Obtížněji se vyhodnocuje a jeho výsledky nejsou přesné. Výhodou toho modelu je jeho jednoduchost. Definice:
∑ ( ) (4)
Kde ci0 je materiálová konstanta a za N se dosazují hodnoty od jedné do nekonečna. Hod- nota N obvykle není vyšší než 3. Pokud je N = 1 jde o Neo-Hookean model.
Yeon model je uvažován s N = 3. Tří parametrový model Yeon poskytuje dobré deformace velkého rozsahu i když pro nižší hodnoty deformace nemusí být přesný. [2,6]
2.6.4 Mooney-Rivlin
Jde o speciální případy polynomické formy. Používají se dvou, tří, pěti a devíti parame- trové Mooney-Rivlin modely.
Model o dvou parametrech je nejpoužívanější. Je podobný polynomické formě s N=1:
( ) ( ) (5)
Kde c10, c01 jsou materiálové konstanty.
Model o třech parametrech je totožný s polynomickou formou N = 2 a c20 = c02 = 0:
( ) ( ) ( )( ) (6) Kde c10, c01, c11 jsou materiálové konstanty.
Model o pěti parametrech je totožný s polynomickou formou N = 2:
( ) ( ) ( )( ) (7) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) (8) Kde c10, c01, c11, c20, c02 jsou materiálové konstanty.
Model o devíti parametrech je totožný s polynomickou formou pro N=3:
( ) ( )
( ) ( )( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) (9) Kde c10, c01, c11, c20, c02, c30, c21, c12, c03 jsou materiálové konstanty.
Dvouparametrový model je používán do 90-100% tahové deformace. Pěti nebo devítipa- rametrové modely se používají pro deformace do 300%. [2]
2.6.5 Arruda-Boyce
Tento model je založený na mikromechanice vnitřní struktury elastomerů. Může být pova- žován za rozšíření Yeoh modelu pro N=5, přičemž konstanty mají reálný význam.
∑ ( )
(10)
Kde konstanty Ci jsou definovány jako:
Kde µ je počáteční smykový modul a λL je tzv. „limitní protažení“ sítě mikromechanického modelu struktury materiálu, při kterém se síť dále neprotahuje a napětí se blíží k nekonečnu. Pokud se λL rovná nekonečnu, přechází forma Arruda-Boyce na Neo- Hookean. Model se používá pro deformace do 300%. [2,6]
2.6.6 Gent
Tento model je podobný složitějšímu Arruda-Boyce modelu, jelikož také užívá limitní sí- ťové protažení, nevychází ale z modelu vnitřní struktury elastomerů.
( ) (11)
Kde E je počáteční model pružnosti, který je pro nestlačený materiál 3µ. Im znamená limit- ní hodnotu členu (I1-3). Pokud hodnota přirozeného logaritmu roste, výsledná forma se bude podobat Yeoh modelu. Pokud Im se bude rovnat nekonečnu, model přejde na Neo- Hookean. Výhody modelu jsou v jeho jednoduchosti a schopnosti zasáhnout závěrečnou vyztužovací fázi napěťově deformační odezvy. [2]
2.6.7 Ogden
Tento model je dnes velmi široce používaný a zachycuje chování elastomerů i při velkých deformacích
∑ ( ) (12)
Kde µi, αi jsou materiálové konstanty bez fyzikálního významu. Za N se dosazují hodnoty od jedné do nekonečna, ale málokdy je N vyšší než 3.
Pro N = 1; α1 = 2 a µ1 = µ se Ogden stává stejný jako model Neo-Hookean. Pro N = 2; α2
= -2 a µ1 = 2c10 a µ2 = 2c01 se Ogden mění na dvouparametrový Mooney-Rivlin model.
Ogden se může použít pro deformaci do 700%. [2,6]
2.7 Dynamické namáhání
Při namáhání jakýmkoliv způsobem (tlakem, tahem, smykem) dodáváme energii. Zrušíme- li zatížení, nezískáme tuto energii plně zpět, určitá její část se již nevrátí, ale promění se v teplo. Elasticitou nazýváme schopnost pryže vracet část dodané energie ve formě mecha- nické energie. Tlumení je pochod, kdy se část dodané mechanické energie nevrací, ale přeměňuje na teplo.
Tlumení zjišťujeme takovou zkušební metodou, která nám umožní zaznamenat při dyna- mickém namáhání křivku zatížení – deformace. Příklad je na obrázku (Obr. 4).
Obr. 4: Křivka zatížení – deformace
Křivky pro zatěžování a odlehčování se nekryjí, nýbrž po ustálení děje vytvoří hysterezní smyčku. Plocha pod zatěžovací smyčkou je práce absorbovaná pryží při jejím zatěžování.
Plocha pod odlehčovací křivkou je práce vrácená při odlehčení pryže. Plocha mezi křiv- kami je „ztracená“ práce. Je to energie, která se proměnila v teplo.
Při dynamickém namáhání se v průběhu každého cyklu mění stejná část přivedené energie v teplo. To zapříčiňuje stoupání teploty v pryžovém dílci, dokud nenastane tepelná rovno- váha, tj. že se přivedená teplota z vnitřních ztrát vyrovná teplotě odvedené vedením nebo sáláním z povrchu pryžového členu. Nesmíme však zapomínat, že v důsledku nízké tepelné vodivosti je v pryžovém dílci velký teplotní spád. Znamená to, že při dynamickém namá- hání pryže musíme dávat pozor na problémy související s výškou teploty. Růst teploty při střídavém namáhání vede k tepelným trhlinám uvnitř pryže. Modul tlumení a pružnosti se podstatně mění v závislosti na teplotě.
Modul pružnosti a tlumení velmi závisí na frekvenci. Vliv frekvence je podobný jako vliv teploty. I při normální běžné teplotě existuje frekvence, při níž nastává „mechanické zmrz- nutí“ pryže. V důsledku takové frekvence modul pružnosti stoupne, při normální provozní teplotě, na několikanásobek své hodnoty. Naštěstí u běžně používaných pryží leží tyto frekvence tak vysoko, že jen málokdy je nutno se jí zabývat. Bývá to obvykle u pryží se špatnou odolností proti nízkým teplotám.[9]
2.8 Vliv teploty na mechanické vlastnosti
Vlastnosti pryže jsou ovlivňovány tvarem, teplotou, rychlostí změny velikosti vnějších sil a rozměry zkušebního tělesa. Vliv těchto podmínek se u pryží nestejného složení projevuje s různou intenzitou.
V praxi se napětí, kdy se dosáhne předem zvoleného prodloužení, nazývá modul v tahu.
Pod pojmem poměrné napětí chápeme napětí, při kterém se dosáhne předem zvoleného prodloužení pracovní části zkušebního tělesa. Pokud se omezíme pouze na elastické de- formace, užíváme i v gumárenství modulů, a to modulu pružnosti v tlaku, modulu pružnos- ti v tahu, modulu pružnosti v ohybu, modulu pružnosti ve smyku. Přitom se často atribut
„pružnosti“ vypouští a jedná se pak o modulu v tlaku a o modelu ve smyku.
Pro moduly pružnosti platí úměrnost, že napětí je úměrné deformaci, kdy konstantou úměrnosti je modul elasticity. Velikost modulu elasticity v tlaku závisí na různých fakto- rech. Obr. 5 ukazuje, že charakter závislosti tohoto modulu na teplotě je pro různé druhy kaučuku stejný, pouze křivka je jako celek posunuta ve směru teplotní osy. Na obrázku 6 je znázorněn vliv teploty u téhož elastomeru na modul elasticity v tlaku, na velikost toku a na velikost trvalé deformace. Při teplotě -50 °C nastává skokový stav. Hodnota modulu je velmi vysoká, velikost toku je malá. Křivka toku prochází maximem. Maximum leží v oblasti teplot, při kterých nastává skokový stav. V oblasti teplot běžného použití prochází křivka toku minimem, při vyšších teplotách opět značně stoupá.
U kaučukových směsí lze volbou elastomeru a vhodnou skladbou směsi tuto křivku posu- nout jako celek ve směru osy teplot a do jisté míry i ve směru kolmém na osu teplot.
Modul elasticity zjištěný na dílci z různých pryží namáhaných tlakem není materiálovou konstantou, protože je kormě závislosti na teplotě silně závislý i na tvaru dílce. Přitom mu- sí být splněna důležitá podmínka, aby při tlakovém namáhání měl pryžový dílec možnost deformace do stran. Není-li tato podmínka splněna, jde o pryžový dílec prostorově uzavře- ný bez možnosti deformace do stran. Pak zjišťujeme modul objemové pružnosti.[9]
Obr. 5: Vliv teploty ba velikost modulu pružnosti v tlaku, na velikost trvalé de- formace
Obr. 6: Velikost modulu pružnosti v tlaku v závislosti na teplotě pro přírodní kau- čuk
II. PRAKTICKÁ ČÁST
3 CÍL PRÁCE
Cílem práce je posoudit vliv teploty na mechanické chování různých elastomerů používa- ných pro výrobu pneumatik. Tento vliv byl zkoumán při zatížení elastomerů jednoosým tahem.
4 POSTUP PRÁCE 4.1 Materiály
Jako zkušební materiál bylo použito 11 druhů vulkanizovaných kaučukových směsí pro výrobu pneumatik.
Směsi byly o různém složení. Následně byly vysekány vzorky ve tvaru oboustranných lo- patek a to ve dvou směrech. Ve směru tažení materiálu a ve směru příčném na směr tažení materiálu. Směsi byl označen dle směru pomoci šipek a písmeny, které odpovídaly druhu materiálu.
4.1.1 Seznam druhů směsí a jejich sloţení
Směsi byl označen písmeny C, D, E, F, G, H, I, K, L, O, S Složení jednotlivých směsí:
Směs Saze Kaučuk
C 64 dsk NR, BR, SBR
D 60 dsk NR
E 56 dsk NR
F 26 dsk NR
G 54 dsk NR, BR
H 50 dsk NR, BR, SBR
I 54 dsk NR, BR, SBR
K 65 dsk NR, BR
L 84 dsk NR, SBR
O neznámé BIIR, CIIR
S 66 dsk NR, BR, SBR
4.2 Testování materiálu
4.2.1 Podstata zkoušky
Zatěžovací tahová zkouška byla prováděna dle normy ČSN ISO 37 na trhacím stroji ZWICK. Zkušební materiál, ve tvaru oboustranných lopatek, byl upnut v čelistích a cyk- licky namáhána za různých teplot. Počet cyklů bylo 6. První natažení bylo do 60% délky zkušebního materiálu, následné vrácení do původní polohy a poté se začal materiál cyklic- ky namáhat do 30% své délky v 5 cyklech. Měření se provádělo za různé teploty. Počet teplot, při kterých se měření provádělo, bylo 4. První měření bylo při pokojové teplotě a to 24°C, následně byla k trhacímu stroji přimontována teplotní komora za účelem vyhřátí materiálu na vyšší teplotu a následné jeho měření. Následující měření probíhalo při teplo- tách 38°C, 70°C, 100°C. Měření u všech druhů směsí bylo prováděno ve dvou směrech. Ve směru kolmém a příčném dle směru tažení materiálu. Při měření se odečítaly hodnoty síly a prodloužení, potřebné k hodnocení požadovaných charakteristik protahovaných zkušeb- ních těles v průběhu 5 cyklů.
Obr. 7: Modul 30%
4.2.2 Zkušební tělesa
Zkušební tělesa byla ve tvaru oboustranných lopatek. (Obr. 4) Tělesa různé směsi byla vystřižena ve dvou směrech, podélném a příčném.
Standartní tloušťka zúžené části byla 2 mm a délka pracovní části byla 20 mm. Ostatní rozměry byly dány sekacím nožem. Rozměry sekacího nože byly typu 4. (Tab. 1)
Obr. 8: Tvar oboustranných lopatek
4.2.3 Zkušební zařízení
4.2.3.1 Vysekávací a vyřezávací nože
Veškeré vysekávací a vyřezávací nože musejí odpovídat ISO 4661-1. [8] Rozměry vyseká- vacího nože pro tělesa tvaru oboustranných lopatek určeny z tabulek normy ČSN ISO 37.
Z tabulek byl určen vysekávací nůž typu 4. (Tab. 1)
Tab. 1: Rozměry vysekávacích nožů pro zkušební tělesa tvaru oboustranných lo- patek
Rozměr Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
A Celková délka (minimální)1) 115 75 50 35
B Šířka lopatek 25,0 ± 1,0 12,5 ± 1,0 8,5 ± 0,5 6,0 ± 0,5 C Délka zúžené části 33,0 ± 2,0 25,0 ± 1,0 16,0 ± 1,0 12,0 ± 0,5 D Šířka zúžené části 6,0 +0,4 4,0 ± 0,1 4,0 ± 0,1 2,0 ± 0,1 E Přechodový poloměr vnější 14,0 ± 1,0 8,0 ± 0,5 7,5± 0,5 3,0 ± 0,1 F Přechodový poloměr vnitřní 25,0 ± 2,0 12,5 ± 1,0 10,0 ± 0,5 3,0 ± 0,1
1)
Vnější celková délka může být nutná pro zajištění, aby do kontaktu s čelistmi stroje přicházely jenom rovnoběžné části rozšířených konců, což zabraňuje trhání zkušebních těles v rozšiřujících částech
4.2.3.2 Tloušťkoměr
Přístroj pro měření tloušťky zkušebních těles tvaru oboustranných lopatek. Musí odpovídat požadavkům metody A v ISO 4648:1991.[8]
4.2.3.3 Trhací stroj
Trhací stroj musí splňovat požadavky ISO 5893:1993; v přesnosti měřené síly musí odpo- vídat pro oboustranné lopatky stupni E. Pro zkoušení při jiné než standartní laboratorní teplotě, musí mít stroj vhodnou temperační komorou. Postup pro získání vyšších nebo niž- ších teplot je uveden v ISO 3383.[8]
4.2.3.4 Počet zkušebních těles
Zkušebních těles jednotlivé směsi bylo pět v podélném směru a pět v příčném směru.
4.2.4 Postup zkoušky
Zkušební těleso bylo vloženo do trhacího stroje tak, aby byl symetricky upnut a aby byl tah rovnoměrně rozložen na příčný průřez tělesa. Následně byl připojen na těleso mechanis- mus průtahoměru. Spustil se chod stroje a následně se zaznamenávají změny pracovní dél- ky zkušebního tělesa a síly po celou dobu zkoušky s přesností ±2% jak je požadováno pro účely vyhodnocení.[8]
Zatěžování bylo prováděno v 6 cyklech. První cyklus byl do délky 60% protažení mate- riálu, poté následovalo 5 cyklu do 30% protažení material. Výsledné hodnoty byly brány z posledního cyklu.
4.2.5 Zkušební teplota
Teplota měření byla stanovena v různých stupních a to při 24°C, 38°C, 70°C a 100°C.
Vyhřívaná byla jak tamperační komora tak i samotný materiál, aby se dosáhlo co nejpřes- nějšího měření pro danou teplotu.
Po celou dobu jedné zkoušky byla při měření použita stejná teplota.
5 VÝSLEDKY ZKOUŠKY 5.1 Materiál C
Tab. 2: Naměřené napětí pro materiál C
C podélně příčně
24°C
maximum 0,5008 0,5900 medián 0,4817 0,5208 minimum 0,4525 0,4767 38°C
maximum 0,4896 0,5458 medián 0,4825 0,5367 minimum 0,4409 0,5108 70°C
maximum 0,4983 0,5592 medián 0,4800 0,4875 minimum 0,4542 0,4675 100°C
maximum 0,5867 0,6750 medián 0,5575 0,6325 minimum 0,5200 0,5558
Obr. 9: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál C
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
C podélně
maximum medián minimum
Obr. 10: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál C
Obr. 11: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu C
0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [Mpa]
Teplota [°C]
C příčně
maximum medián minimum
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.2 Materiál D
Tab. 3: Naměřené napětí pro materiál D
D podélně příčně
24°C
maximum 0,4600 0,4983 medián 0,4567 0,3067 minimum 0,3808 0,2800 38°C
maximum 0,4667 0,3958 medián 0,3392 0,3450 minimum 0,2667 0,3100 70°C
maximum 0,4433 0,4625 medián 0,4217 0,4442 minimum 0,3992 0,3508 100°C
maximum 0,2892 0,2733 medián 0,2542 0,2542 minimum 0,2433 0,2383
Obr. 12: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál D
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
D podélně
maximum medián minimum
Obr. 13: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál D
Obr. 14: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu D
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
D příčně
maximum medián minimum
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.3 Materiál E
Tab. 4: Naměřené napětí pro materiál E
E podélně příčně
24°C
maximum 1,1083 0,8500 medián 1,0833 0,7950 minimum 0,9500 0,7608 38°C
maximum 1,0583 0,9500 medián 0,9250 0,9083 minimum 0,9083 0,8417 70°C
maximum 0,9167 0,8333 medián 0,8917 0,7967 minimum 0,8667 0,7767 100°C
maximum 1,0167 1,0000 medián 0,9583 0,9583 minimum 0,8833 0,8750
Obr. 15: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál E
0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
E podélně
maximum medián minimum
Obr. 16: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál E
Obr. 17: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu E
0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
E příčně
maximum medián minimum
0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.4 Materiál F
Tab. 5: Naměřené napětí pro materiál F
F podélně příčně
24°C
maximum 0,6675 0,7650 medián 0,6583 0,6800 minimum 0,6433 0,6717 38°C
maximum 0,8142 0,8192 medián 0,7658 0,7992 minimum 0,7283 0,7025 70°C
maximum 0,7117 0,7275 medián 0,6942 0,7067 minimum 0,6683 0,6692 100°C
maximum 0,8117 0,8667 medián 0,7617 0,8108 minimum 0,7117 0,7233
Obr. 18: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál F
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
F podélně
maximum medián minimum
Obr. 19: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál F
Obr. 20: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu F
0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
F příčně
maximum medián minimum
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.5 Materiál G
Tab. 6: Naměřené napětí pro materiál G
G podélně příčně
24°C
maximum 0,7317 0,8142 medián 0,7217 0,7850 minimum 0,7167 0,7325 38°C
maximum 0,8500 0,8750 medián 0,8017 0,8583 minimum 0,7733 0,7417 70°C
maximum 0,6950 0,6783 medián 0,6808 0,6608 minimum 0,6642 0,6392 100°C
maximum 0,7042 0,7425 medián 0,6758 0,7317 minimum 0,6592 0,7125
Obr. 21: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál G
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
G podélně
maximum medián minimum
Obr. 22: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál G
Obr. 23: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
G příčně
maximum medián minimum
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.6 Materiál H
Tab. 7: Naměřené napětí pro materiál H
H podélně příčně
24°C
maximum 0,5175 0,5467 medián 0,5025 0,5358 minimum 0,4550 0,5217 38°C
maximum 0,5752 0,5600 medián 0,5383 0,5250 minimum 0,4767 0,5008 70°C
maximum 0,5750 0,5483 medián 0,5592 0,5367 minimum 0,5250 0,5283 100°C
maximum 0,5692 0,5575 medián 0,5217 0,5367 minimum 0,5000 0,5242
Obr. 24: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál H
0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
H podélně
maximum medián minimum
Obr. 25: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál H
Obr. 26: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu H
0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
H příčně
maximum medián minimum
0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.7 Materiál I
Tab. 8: Naměřené napětí pro materiál I
I podélně příčně
24°C
maximum 0,5758 0,5308 medián 0,5525 0,4925 minimum 0,5358 0,4883 38°C
maximum 0,5450 0,5692 medián 0,5017 0,5417 minimum 0,4800 0,5175 70°C
maximum 0,5117 0,4525 medián 0,4942 0,4317 minimum 0,4858 0,4267 100°C
maximum 0,4625 0,5150 medián 0,4425 0,5083 minimum 0,4183 0,4925
Obr. 27: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál I
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
I podélně
maximum medián minimum
Obr. 28: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál I
Obr. 29: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu I
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
I příčně
maximum medián minimum
0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.8 Materiál K
Tab. 9: Naměřené napětí pro materiál K
K podélně příčně
24°C
maximum 1,6917 1,6250 medián 1,5667 1,6083 minimum 1,4917 1,5500 38°C
maximum 1,7083 1,6167 medián 1,6500 1,5417 minimum 1,6000 1,5000 70°C
maximum 1,4000 1,3000 medián 1,3750 1,2417 minimum 1,1917 1,2250 100°C
maximum 1,3833 1,5417 medián 1,3500 1,3583 minimum 1,3000 1,1300
Obr. 30: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál K
1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
K podélně
maximum medián minimum
Obr. 31: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál K
Obr. 32: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu K
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
K příčně
maximum medián minimum
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.9 Materiál L
Tab. 10: Naměřené napětí pro materiál L
L podélně příčně
24°C
maximum 1,4583 1,3417 medián 1,3917 1,3083 minimum 1,3583 1,2333 38°C
maximum 1,2333 1,1583 medián 1,2083 1,1083 minimum 1,1333 1,0583 70°C
maximum 1,1917 1,0583 medián 1,1250 1,0500 minimum 1,0833 1,0250 100°C
maximum 1,2917 1,2333 medián 1,2250 1,1833 minimum 1,2083 1,1500
Obr. 33: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál L
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
L podélně
maximum medián minimum
Obr. 34: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál L
Obr. 35: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu L
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
L příčně
maximum medián minimum
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.10 Materiál O
Tab. 11: Naměřené napětí pro materiál O
O podélně příčně
24°C
maximum 0,4242 0,3758 medián 0,3575 0,3392 minimum 0,3192 0,3267 38°C
maximum 0,2783 0,2325 medián 0,2525 0,2242 minimum 0,2208 0,2083 70°C
maximum 0,2067 0,2150 medián 0,1992 0,1850 minimum 0,1675 0,1642 100°C
maximum 0,2100 0,1950 medián 0,1808 0,1792 minimum 0,1692 0,1625
Obr. 36: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál O
0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
O podélně
maximum medíán minimum
Obr. 37: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál O
Obr. 38: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu O
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
O příčně
maximum medián minimum
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
5.11 Materiál S
Tab. 12: Naměřené napětí pro materiál S
S podélně příčně
24°C
maximum 0,6767 0,7058 medián 0,6342 0,6550 minimum 0,6233 0,5833 38°C
maximum 0,5933 0,5300 medián 0,5292 0,5167 minimum 0,4542 0,5050 70°C
maximum 0,5042 0,5342 medián 0,4758 0,4533 minimum 0,4683 0,4283 100°C
maximum 0,6008 0,5675 medián 0,5642 0,5475 minimum 0,5325 0,5008
Obr. 39: Závislost napětí na teplotě v podélném směru pro materiál S
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
S podélně
maximum medíán minimum
Obr. 40: Závislost napětí na teplotě v příčném směru pro materiál S
Obr. 41: Rozptyl hodnot při jednotlivých teplotách materiálu S
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Napětí [MPa]
Teplota [°C]
S příčně
maximum medián minimum
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
24°C podélně
24°C příčně
38°C podélně
38°C příčně
70°C podélně
70°C příčně
100°C podénlě
100°C příčně
Napětí [Mpa]
maximum medián minimum
